离子交换法课件.ppt

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1、13.4 离子交换法,1,离子交换剂,离子交换剂可分为无机离子交换剂和有机离子交换剂两类。前者如天然沸石和人造沸石等；后者是一种高分子聚合物电解质，称为离子交换树脂，它是使用最广泛的离子交换剂。,离子交换树脂的结构特征,离子交换树脂的结构如图所示，它是由骨架和活性基团两部分组成。骨架又称为母体，是形成离子交换树脂的结构主体。它是以一种线型结构的高分子有机化合物为主，加上一定数量的交联剂，通过横键架桥作用构成空间网状结构。活性基团由固定离子和活动离子组成。固定离子固定在树脂骨架上，活动离子(或称交换离子)则依靠静电引力与固定离子结合在-起，二者电性相反电荷相等，处于电性中和状态。,2,离子交换树

2、脂的种类,离子交换树脂按照功能基团的性质可分为：含有酸性基团的阳离子交换树脂、含有碱性基团的阴离子交换树脂、含有胺羧基团等的整合树脂、含有氧化-还原基团的氧化还原树脂(或称电子交换树脂)以及两性树脂等五种，还有新近发展起来的萃淋树脂(或称溶剂浸渍树脂)等等。其中，阳、阴离子交换树脂按照活性基团电离的强弱程度，又分别分为强酸(如-SO3H)、弱酸(如-COOH)、强碱(如-N(CH3)3+0H-)、弱碱(如-NH2)树脂。 离子交换树脂按树脂类型和孔结构的不同可分为：凝胶型树脂，大孔型树脂，多孔凝胶型树脂，巨孔型(MR型)树脂，高巨孔型(超MR型)树脂等。如果按树脂交联度(交联剂含量的百分数)大

3、小分类，可把离子交换树脂分为：低交联度(24%)，一般交联度(78%)，高交联度(1220%)等三种。实际中常用的是交联度712%的树脂。此外，习惯上还按照出厂型式即活动离子的名称，把交换树脂简称为H型、Na型、OH型、C1型树脂等等。,3,离子交换树脂的性能,离子交换树脂对水溶液或废水中某种离子优先交换的性能，称为树脂的交换选择性，简称选择性。它是表征树脂对不同离子亲合能力的差别。离子交换的选择性与许多因素有关。,树脂的交换选择性,1)在低浓度和常温下，离子的交换势(即交换离子与固定离子结合的能力)随溶液中离子价数的增加而增加，例如：Th4+La3+Ca2+Na+。2)在低浓度和常温下，价数

4、相同时，交换势随原子序数增加而增加。这是因为原子序数大，水化离子半径小，作用力就强。例如：Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+。3)交换势随离子浓度的增加而增大。高浓度的低价离子甚至可以把高价离子置换下来，这就是离子交换树脂能够再生的依据。4)H+离子和OH-离子的交换势，取决于它们与固定离子所形成的酸或碱的强度，强度越大，交换势越小。5)金属在溶液中呈络阴离子存在时，一般来说交换势降低。,4,离子交换工艺及设备,离子交换装置，按照运行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类。,用于废水处理的离子交换系统一般包括：预处理设备(一般采用砂滤器，用以去除悬浮物，防止离子交换树脂受污染和交换床堵塞)、离子

5、交换器和再生附属设备(再生液配制设备)。,5,6,离子交换法在废水处理中的应用,含汞废水的处理,当汞在废水中呈Hg2+或HgCl+或CH3Hg+等阳离子形态存在时，含巯基(-SH)的树脂如聚硫代苯乙烯阳离子交换树脂，对它们的分离具有特效，其反应如下：2RSH + Hg2+ (RS)2Hg + 2H+RSH + HgCl+ RSHgCl + H+RSH + CH3Hg+ RSHgCH3 + H+ 国外用大孔巯基树脂进行交换，在pH2的条件下，处理含汞2050mg/L的氯碱废水，出水含汞在0.002mg/L以下。我国某研究部门用国产大孔巯基树脂处理甲基汞废水的研究取得了良好的结果，该法的流程是：将

6、甲基汞废水通入巯基树脂交换柱进行交换，然后用盐酸-氯化钠溶液洗脱，洗脱液经紫外光照射迅速分解后，再用铜屑还原回收金属汞。经过处理，出水中含甲基汞lppb以下，汞得以回收。,7,含镉废水的处理,在废水中镉也有两种离子形态。氰化镀镉淋洗水中的银为四氰络镉阴离子Cd(CN)42-，它可以用D370大孔叔胺型弱碱性阴离子交换树脂来处理，出水含镉低于国家排放标准，镉还可以回收利用。另外一种废水中的镉以Cd2+离子或者Cd(NH3)42+络离子形态存在， 例如镀银漂洗水，含镉约20mg/L，pH值为7左右，采用Na型DK110阳离子交换树脂处理，得到很好的效果。据报导已有许多除镉的特效树脂可用于废水处理或

7、回收银。当处理含镉50250mg/L的废水时，回收镉的价值可使离子交换装置的投资在半年到两年内得到补偿。,8,含铬废水的处理,在城市污水的深度处理中，也可用离子交换法去除常规二级处理中难以去除的营养物质磷和氮，使水质达到受纳水体或某具体回用目的水质标准。 氯型强碱性阴离子交换树脂吸着磷酸的反应如下：2RCl + HPO42- R2HPO4 + 2C1- 树脂的选择性次序为：PO43-HPO42-H2PO4-，但吸着量以一价的H2PO4-为最大。三价铁离子型的强酸性阳离子交换树脂也能吸着磷酸，这种树脂对污水二级处理出水进行深度处理时，磷酸的吸附量为2.75kg(磷)/m3(树脂)，处理后出水的磷

8、酸浓度在0.01mg/L (磷)以下。再生时使用三氯化铁溶液。 用氯型阳离子交换树脂对污水二级处理出水进行处理时，一个工作周期的处理水量约为树脂量的170倍，硝酸根离子的去除率为77，处理出水的硝酸根离子浓度降到1.3mg/L。,除磷脱氮,9,8吨/小时全自动离子交换纯水系统,10,13.5 电渗析,一、概述 电渗析法是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，使溶液中溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。 在阴极和阳极之间交替排列一系列阴离子交换膜和阳离子交换膜。阴离子交换膜能使阴离子透过，阳离子交换膜能使阳离子透过。在两种膜所形成的格室中充满氯化钠（NaCl）的水溶液，当接

9、入直流电源，带负电的阴离子会向阳极迁移，受到阳膜的阻挡在2、4室积累；带正电的钠离子向阴极迁移，受到阴膜阻拦也在2、4室积累，于是形成交替排列的稀溶液和浓溶液。,11,电渗析过程的原理图,12,二、电渗析器的构造和组装 1、构造 电渗析器主要由膜堆、极区、夹紧装置三部分组成。 （1）膜堆 膜堆位于电渗析器的中部，由浓、淡水隔板改向隔板和阴离子交换膜阳离子交换膜交替排列成浓水室和淡水室。一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列组成膜对；电极之间由若干组膜对堆叠一起为膜堆。 隔板：作用：隔开阴、阳膜形成淡水室和浓水室，为水流通道。结构：隔板上有配水孔、布水槽、流水道、隔网等。常用材料：聚乙烯、聚氯乙

10、稀、聚丙烯、天然橡胶。,13,（2）极区极区位于膜堆两侧，包括电极和极水隔板。电极：阳极室和阴极室发生不同的电极反应。极水隔板：极水通道，厚5-7mm。电极托板：承托电极并连接进出水管 。电极垫板：材料为橡皮，作用是防漏。（3）夹紧装置作用：将整个极区和膜堆夹紧。电渗析器有两种锁紧方式：压机锁紧和螺杆锁紧。,14,2、组装方式 组装方式有串联、并联及串并联。常用“级”和“段”来表示。 “级”是指电极对的数目；“段”是指水流方向，水流通过一个膜堆后，改变方向进入后一个膜堆即增加一段。 （1）并联组装 水流同向通过膜堆的组装形式称为并联组装，如图(a)、(b)所示。其特点是产水量与膜的数量成正比，

11、适用于产水量大而水质要求不高的场合。（2）串联组装 水流由前一个膜堆出来改变方向进入后一个膜堆的组装形式称为串联，如图(c)、(d)所示。适用于产水量小而水质要求较高的场合。,15,各种电渗析器的组装方式示意图,16,1. 极化和结垢的产生在电渗析器的膜界面现象中，极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧。同时在阴膜浓室一侧发生结垢现象。 2. 极化和结垢的防治措施控制操作电流，使电流密度小于极限电流密度。定时倒换电极。定期酸洗。,17,13.6 扩散渗析,扩散渗析是使高浓度溶液中的溶质透过薄膜向低浓度溶液中迁移的过程。扩散渗析的推动力是薄膜两侧的浓度差。最初扩散渗析使用的薄膜是惰性膜，大多用于高分子

12、物质的提纯。使用离子交换膜的扩散渗析，利用膜的选择透过性，可以分离电解质。 扩散渗析的渗析速度与膜两侧溶液的浓度差成正比。只有当原液的浓度大于10%时，扩散渗折的回收效果才显著，才有实用价值。,18,13.7 反渗透法,一、概述 反渗透法是利用一种只让溶剂分子通过，而不让溶质分子通过的半渗透膜的特性，使含盐水在高压条件下，溶剂（水）经过半透膜反渗透析出，从而得到除盐水的一种膜分离技术。反渗透已成为海水淡化最经济的技术，反渗透海水淡化容量1994年统计为1.2106m3/d；反渗透也是苦咸水淡化的主要手段，目前产水量达5106m3/d；反渗透已成为超纯水和纯水制备的优选技术：另外在各种料液的分离

13、、纯化和浓缩以及废液的再生回用方面都发挥了重大作用。,19,渗透与反渗透过程示意图,20,二、反渗透膜及反渗透组件装置1、反渗透膜 用于反渗透过程的膜主要有平板不对称膜、不对称平板复合膜、中空纤维不对称膜、中空纤维复合膜、管式不对称膜等。按使用范围可将膜大致分为三类：高压反渗透膜、低压反渗透膜和超低压反渗透膜。 （1）高压反渗透膜 高压反渗透膜的主要用于海水淡化。 （2）低压反渗透膜 这类膜的组件通常在1.42.0MPa下进行操作，主要用于苦咸水脱盐。 （3）纳滤膜 纳滤膜又称为超低压反渗透膜或疏松型反渗透膜，其操作压力通常在1.0MPa以下。,21,2、反渗透组件装置 目前反渗透组件装置有管

14、式、板框式、卷式和中空纤维式四种：（1）板框式板框式装置由一定数量的多孔隔板组合而成，每块隔板两面装有反渗透膜。在压力作用下，透过膜的淡化水在隔板内汇集并引出。,22,（2）管式管式装置分为内压管式和外压管式两种。内压管式将膜镶在管的内壁，含盐水在压力作用下在管内流动，透过膜的淡化水通过管壁上的小孔流出；外压管式将膜铸在膜的外壁，透过膜的淡化水通过管壁上的小孔由管内引出。,23,（3）卷式卷式装置如图所示，把导流隔网、膜和多孔支撑材料依次叠合，用粘合剂沿三边把两层膜粘结密封，另一开放边与中间淡水集水管联接，再卷绕一起。含盐水由一端流入导流隔网，从另一端流出，透过膜的淡化水沿多孔支撑材料流动，由

15、中间集水管引出。,卷式装置示意图,24,（4）中空纤维式中空纤维式装置是把一束外径50100 、壁厚1225 的中空纤维弯成U型，装于耐压管内，纤维开口端固定在环氧树脂管板中，并露出管板。通过纤维管壁的淡化水沿空心通道从开口端引出。在污水处理中，很多情况下中空纤维不装入耐压容器，组件直接放入反应器中，构成内置式膜生物反应器。 目前在反渗透和纳滤过程中，卷式和中空纤维组件应用最多。,外压式中空纤维超滤组件 内压式中空纤维超滤组件,25,反渗透布置系统有三种： 1、单程式 在单程式系统中，原水一次经过反渗透器处理，水的回收率较低。 2、循环式循环式系统有一部分浓水回流重新处理，可提高水的回收率，但

16、淡水水质有所降低。 3、多段式多段式系统可充分提高水的回收率，用于产水量大的场合，膜组件逐渐减少是为了保持一定流速，以减轻膜表面的浓差极化现象。,26,单程式和循环式布置系统,27,多段式布置系统,28,29,（四）超滤,超滤是一种筛孔分离过程，主要用来截留分子量高于500的物质。在静压差的作用下，原料液中溶剂和小分子的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，通常称为滤出液或透过液；而大分子的溶质粒子组分被膜所阻截，使它们在滤剩液(或称浓缩液)中浓度增大。 按照这种分离机理，超滤膜具有选择性的主要原因是形成了具有一定大小和形状的孔，而聚合物质的化学性质对膜的分离特性影响不大。因此，可以用细孔模型表示超滤的传递过程。但也有人认为，除了膜孔结构外，膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素，并认为反渗透理论可以作为研究超滤的基础。 大多数超滤膜都是聚合物或共聚物的合成膜，主要有醋酸纤维超滤膜、聚讽类超滤膜和聚砚酰胺超滤膜。此外，聚丙烯脂也是一种很好的超滤膜材料。,29,30,超过滤技术的应用,在废水处理中，超滤技术可以用来去除废水中的淀粉、蛋白质、树胶、油漆等有机物，以及粘土、微生物等物质。 超滤技术还可用于纸浆和造纸废水、洗毛废水、还原染料废水、聚乙烯退浆废水、食品工业废水以及高层建筑物的生活污水处理，既可回收各种有用物质，也可以使处理后的水回用于生产或生活。,30,